Разработка молекулярных движителей – очень интересная тема, но она чрезвычайно сложна и малоизученна. В частности, молекулярные электродвигатели долгое время оставались лишь теоретической концепцией. Но недавно были сделаны первые практические шаги в этом направлении: было замечено, что в качестве роторов таких электромоторов могут применяться молекулы метилбутилсульфидов, адсорбированные на (111)-поверхности меди.

Рис. 1. Изготовленные молекулярные роторы (съемка СТМ).

Разработка молекулярных движителей – очень интересная тема. Но она чрезвычайно сложна и малоизученна, ведь от молекулярных движителей требуется использование внешних источников энергии (ими могут быть свет или различные химические вещества) и способность двигаться строго заданным образом.

В частности, молекулярные электродвигатели долгое время оставались лишь теоретической концепцией.

К настоящему времени установлено, что в качестве роторов таких электромоторов могут применяться молекулы метилбутилсульфидов, адсорбированные на (111)-поверхности меди. Стоит отметить, что молекула метилбутилсульфида, является прохиральной, то есть при введение заместителя к атому серы может становиться хиральной (оптически активной). Таким «заместителем» служит поверхность металла, адсорбирующая эти молекулы в виде R- и S-изомеров.

Рис. 2. R-изомер (сверху вниз: его схема, распределение
вероятностей поворота на различные углы и энергетическая
диаграмма для разных углов поворота).

Долгое время существовала проблема одновременной подачи энергии к молекуле и мониторинга ее вращения. В ходе экспериментов удалось установить, что подходящим источником энергии является игла сканирующего туннельного микроскопа.

По результатам экспериментов было сделано интересное открытие: разные оптические изомеры (R и S) совершенно по-разному реагируют на подвод тока. Если R-изомер проявляет 5%-направленное вращение против часовой стрелки (то есть оборотов против часовой стрелки на 5% больше), то его энантиомер вообще не проявляет избирательной направленности, зато вращается в 3 раза быстрее. Ученые объясняют это геометрией самой токоподводящей иглы, которая, по-видимому, взаимодействует с энантиомерами различно.

Как оказалось, барьер вращения сульфидной молекулы равен всего 0,01 эВ. Однако к ней подводились электроны с гораздо большей энергией (0,375 эВ), большая часть энергии уходит на возбуждение молекулы. Было установлено, что время жизни возбужденного состояния составляет около 1–10 пс, но этого хватает, чтобы молекула успела повернуться, как правило, на 60^o.

Рис. 3. S-изомер (сверху вниз: его схема, распределение
вероятностей поворота на различные углы и энергетическая
диаграмма для разных углов поворота).

Частота вращения в 30 Гц при всего 5% направленности, не говоря уже о том, что подобными свойствами обладает только один из энантиомеров – по всем этим параметрам молекулярные электродвигатели уступают макродвигателям. Однако, по заверениям исследователей, все испытания проводились с заведомо более низким током, чем можно было бы подводить. Поэтому, возможно, характеристики удастся улучшить, а применение молекулярных двигателей в наномашинах – приблизить.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Heather L. Tierney, Colin J. Murphy, April D. Jewell, Ashleigh E. Baber, Erin V. Iski, Harout Y. Khodaverdian, Allister F. McGuire, Nikolai Klebanov & E. Charles H. Sykes Experimental demonstration of a single-molecule electric motor. – Nature Nanotechnology. – 6. – P. 625–629 (2011); doi:10.1038/nnano.2011.142; Published online 04 September 2011.